用于动态空中交通轨迹同步的方法和设备的制作方法
【专利摘要】根据多个实施例的各方面，提供了一种在整个飞行历史过程中同步来自多个独立系统(如来自飞行管理系统和地面空中交通管制)的多条轨迹的设备和方法。由于在飞行历程期间许多轨迹差异因素(如飞行意图、管制员干涉或实际飞行因预测误差而造成的与预测轨迹的大的偏差)将形成干扰，因此，需要动态监测这些偏差并且控制一个动态同步周期。一种动态轨迹同步算法试图使得每当一个扰动引起不平衡时就使这些系统中的每个系统重返平衡。扰动包括大气条件与预测大气条件的偏差、飞行员偏好的变化，以及要求管制员动作的多种不可预测事件(如对与其他飞机间隔的需要或对流天气的变化、特殊用途空域或调度要求)。
【专利说明】用于动态空中交通轨迹同步的方法和设备
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所披露实施例的领域
[0001]本披露涉及空中交通动态轨迹同步，并且具体而言，涉及空中交通轨迹同步以校正引起轨迹变化的扰动。
引言
[0002]本申请要求于2011年9月30日提交的标题为“用于动态空中交通轨迹同步的方法和设备(METHOD AND APPARATUS FOR DYNAMIC AIR TRAFFIC TRAJECTORYSYNCHRONIZAT1N) ”的美国临时申请第61/542，971号的优先权，该申请的全部内容通过引用以其全文结合在此。
[0003]本申请涉及以下共同待决申请:塞尔吉奥?托尔雷斯等人于2011年11月9日提交的标题为“用于空中交通轨迹同步的方法和设备(METHOD AND APPARATUS FOR AIR TRAFFICTRAJECTORY SYNCHRONIZAT1N) ”的美国申请第13/292，685号，该共同待决申请的内容通过引用以其全文结合在此。
[0004]本申请涉及以下申请:塞尔吉奥.托尔雷斯等人于2010年11月9日提交的标题为“用于空中交通轨迹同步的方法和设备(METHOD AND APPARATUS FOR AIR TRAFFICTRAJECTORY SYNCHRONIZAT1N) ”的美国临时申请第61/411，628号，该申请的内容通过引用以其全文结合在此。
[0005]在基于轨迹的运行(TBO)中，要求各个系统间的空-地和地-地互操作性以及轨迹同步，因为这些系统中的每个系统都依赖于对四维飞行路径(4D轨迹)的准确预测。在没有正确同步的情况下，空域的ATC/ATM管理被迫使对其飞机轨迹预测增加显著不确定性，因此减少了可用空域潜在容量并且降低了操作效率。由空-地和地-地轨迹差异引起的不确定性还导致非最优的战术干涉。空-地(或地-地)轨迹同步的目标是在不同系统中产生其差异在操作中微不足道的轨迹，从而增加沿着计划无冲突的且商业优选的轨迹飞行的可能性。另外，如果地上的条件变化要求替代轨迹(即，例如针对冲突解决或调度管理作出计划)，则ATC/ATM系统必须能够独立构建满足FMS生成轨迹的要求和偏好的新轨迹。
[0006]在不同平台的相对变化时段期间，初始同步轨迹可能失去同步并且需要进行更新。所披露的方法和设备解决了在整个飞行历史过程中维持来自多个独立系统(如来自FMS和地面ATC)的多个轨迹同步的问题。由于在飞行历程期间许多轨迹差异因素(如飞行意图、管制员干涉、外力或实际飞行因预测误差而造成的与预测轨迹的大的偏差)将形成干扰，因此，需要动态监测这些偏差并且控制一个动态同步周期。
概述
[0007]根据多个实施例的各方面，提供了一种在整个飞行历史过程中同步来自多个独立系统(如来自飞行管理系统和地面空中交通管制)的多条轨迹的设备和方法。由于在飞行历程期间许多轨迹差异因素(如飞行意图、管制员干涉或实际飞行因预测误差而造成的与预测轨迹的大的偏差)将形成干扰，因此，需要动态监测这些偏差并且控制一个动态同步周期。一种动态轨迹同步算法试图使得每当一个扰动引起不平衡时就使这些系统中的每个重返平衡。扰动包括大气条件与预测大气条件的偏差、飞行员偏好的变化，以及要求管制员动作的多种不可预测事件(如对与其他飞机间隔的需要或对流天气的变化、特殊用途空域或调度要求)。
附图简要说明
[0008]图1是根据一个实施例的一个动态轨迹同步过程的框图；
[0009]图2是根据一个实施例的示出在一个飞机系统和一个地面系统处的信息交换以完成轨迹同步的图；
[0010]图3是根据一个实施例的不出在一个飞机系统和一个地面系统处使用ADS-C事件合同的信息交换以完成轨迹同步的图；
[0011]图4示出根据一个实施例的带有多个动作的动态轨迹同步流程图；
[0012]图5A是根据一个实施例的一个空侧轨迹同步系统的图示；
[0013]图5B是根据一个实施例的一个地侧轨迹同步系统的图示；
[0014]图6是根据一个实施例的一个出航前轨迹同步的框图；
[0015]图7是根据一个实施例的一个飞行中轨迹同步的框图；
[0016]图8是根据一个实施例的一个动态轨迹同步过程的流程图；并且
[0017]图9是根据一个实施例的用于进行下行链路处理以维持动态轨迹同步的流程图； 所披露实施例的详细说明
[0018]本披露的多个额外特征和优点将在以下描述中阐明，并且部分将从描述中明显，或者可以通过实践本披露来了解。本披露的多个特征和优点可以借助于所附权利要求书中所具体指明的仪器和组合来实现并获得。本披露的这些和其他特征将从以下描述和所附权利要求书中变得更为充分地明显，或者可以通过实践如在此所阐明的本披露来了解。
[0019]在以下描述中，出于解释但非限制目的，阐明了多个具体细节，如特定网络、通信系统、计算机、终端、装置、部件、技术、数据和网络协议、软件产品和系统、操作系统、开发接口、硬件等等，以提供对本发明的透彻理解。
[0020]然而，本领域的技术人员应明白，本发明可以在偏离这些具体细节的其他实施例中实践。省略了对所熟知的网络、通信系统、计算机、终端、装置、部件、技术、数据和网络协议、软件产品和系统、操作系统、开发接口以及硬件的详细描述以免使描述晦涩。
[0021]尽管本发明的各个实施例在此方面并无限制，但使用例如像“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“应用”、“接收”、“建立”、“分析”、“检查”等术语的论述可以是指计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算装置的一个或多个操作和/或一个或多个过程，这些计算载体将表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据操纵和/或转换为类似表示为计算机的寄存器和/或存储器或可存储用于执行一个或多个操作和/或一个或多个过程的指令的其他信息存储介质内的物理量的其他数据。
[0022]尽管本发明的各个实施例在此方面并无限制，但是在此所用术语“多个”可以包括例如“多个”或“两个或更多个”。在整个本说明书中，术语“多个”可以用于描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等等。例如，“多个电阻器”可以包括两个或更多个电阻器。
[0023]本披露的各个实施例在下文中详细论述。虽然论述了多个具体实现方式，但应理解，这样做仅出于说明目的。相关领域中的技术人员将认识到，在不背离本披露的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和配置。
[0024]所披露的各实施例的多个方面涉及一种通过执行多个活动来维持轨迹同步的方法，这些活动诸如将一个活动轨迹与一个同步轨迹进行比较，其中该比较由至少一个扰动、周期性触发或诸如CPDLC下行链路/上行链路事件等空地通信事件触发；如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作:用该活动轨迹来更新该同步轨迹；并下行传输该同步轨迹，或者向一个外部系统上行传输用于修改一个飞行计划的一个命令，这将导致对该轨迹的一个改变。
[0025]在一种用于维持轨迹同步的系统的又一方面中，这种系统包括:一个计算机，该计算机执行一个接口以在一架飞机与一个地面系统之间交换数据，其中所交换的数据涉及与一架飞机的各飞行点或轨迹变化点有关的一系列点；以及一个处理器，该处理器连接到一个存储器上，其中该存储器包括使该处理器执行多个操作的多条程序指令，这些操作包括:将一个活动轨迹与一个同步轨迹进行比较，其中该比较由至少一个扰动、周期性触发或诸如CPDLC下行链路/上行链路事件等空地通信事件触发；如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，执行以下动作:用该活动轨迹来更新该同步轨迹；并下行传输该同步轨迹或者向一个外部系统上行传输用于修改一个飞行计划的一个命令。
[0026]所披露的各实施例的再一方面涉及一种在飞机系统与地面系统之间维持轨迹同步的方法，该方法通过执行多个活动实现，这些活动诸如在接收到一个轨迹下行链路时发起一个比较过程，在该比较过程中，该下行传输的轨迹被与一个同步轨迹和该飞机的一个飞行计划比较，并且如果该比较指示该同步轨迹与该飞行计划之间存在一个差别，则发起一个同步过程，否则用该下行传输的轨迹来更新一个本地同步轨迹。
[0027]在所披露的各实施例的再又一方面中，涉及一种非瞬态机器可存取介质，该非瞬态机器可存取介质提供多个指令以在一个飞机系统与一个地面系统之间维持轨迹同步，当被访问时，这些指令使一个机器执行多个操作，该非瞬态机器可存取介质包括:用于使至少一个飞机计算机执行以下动作的代码:当从一个地面系统接收到一个扰动或一个上行链路时，将一个活动轨迹与一个同步轨迹比较，并且如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作:用该活动轨迹来更新该同步轨迹并下行传输该同步轨迹；用于使至少一个地面计算机执行以下动作的代码:当接收到一个下行链路时，发起一个比较过程，在这个比较过程中，该下行链路被与一个下行传输的同步轨迹和该飞机的一个飞行计划比较，并且如果该比较指示该同步轨迹与该飞行计划之间存在一个差别，则发起一个同步过程，否则用该下行传输的同步轨迹来更新一个本地同步轨迹；其中该扰动是一架飞机检测到的一个变化、来自一个外部源的变化数据或一个周期性触发中的至少一个；其中一架飞机检测到的该变化是大气条件变化、飞行员输入变化、航线输入变化或其他状态测量结果中的至少一个；其中来自一个外部源的该变化数据是流量管理、一个与其他飞机间隔命令、对流天气的变化、与一个特殊用途空域的一个冲突、一个调度要求、一个轨迹下行链路或一个命令上行链路中的至少一个；其中将该下行传输的同步轨迹与一个飞行计划比较是匹配多个参数，这些参数包括地面路线、横向路线、高度限制以及速度限制；其中该同步过程仅在解决该飞行计划与该下行传输的同步轨迹之间的大部分或所有差异后才对该飞行计划执行地面发起修正并且向该飞机上行传输一个命令以修改其计划。该上行链路/下行链路是这些不同轨迹系统之间的一个通信事件。
[0028]所披露的各实施例可以涉及在这些平台中的一个经历变化时同步这些不同轨迹。动态轨迹同步针对施加在这些独立轨迹系统中的一个上的这些变化作出调整。在最高水平上，轨迹同步系统是由两个轨迹预测器、介于这两个预测器之间的一个通信接口以及寄存同步逻辑的一个同步处理器构成。这两个轨迹预测器可以是任何两个轨迹预测器，它们可以是地-地对、空-地对或空-空对(此处，“空”和“地”各自用于表示空中系统中的轨迹预测器和地面系统中的轨迹预测器)。为了利于论述而不失一般性，将参考一个空-地同步系统。动态同步借助于一个控制循环实现，该控制循环使用一个共享参考轨迹(自此以后称作同步轨迹)和一个监测功能(对空中和地面两者)来检测每个系统的内部轨迹(或内部飞行计划/飞行意图)与该共享同步轨迹之间的差异。当检测到这类差异时，该监测功能触发重建该同步轨迹的一个操作。在内部，每个系统(地面或空中)维护其自己的轨迹，但是这些系统中的一个(主系统)被视为具有对将如何执行飞行计划的一个更准确的表示。该主系统是构建并维护该同步轨迹的系统。在本论述中，空中系统被认为是主系统；地面系统将保留该同步轨迹的一个副本并将使用它来进行多个内部操作，直至发起一个管制员发起的飞行计划变化时。在这种情况下，管制员将这些变化传达给飞行员，并且对这些变化的响应将在FMS内部的一个新轨迹预测中反映出，这转而得到一个新同步轨迹(空中)。该同步轨迹被传达给地面系统，地面系统随后构建其自己的副本以供在地面系统中使用。地面系统和空中系统中的监测功能连续操作，从而在飞行发生变化的任何时间生成一个新同步轨迹，并且地面系统和空中系统因此用一个一致的轨迹预测进行工作。
[0029]在此所用术语“操作人员”是指航空公司、机载操作人员、商用喷气飞机操作人员、军事操作人员或单飞行员操作中的飞行员。
[0030]在此所用术语“通信”或“消息”是指通过自动相关监视-合同(“ADS-C”)、管制员飞行员数据链路通信(“CPDLC”)、航空无线电公司(ARINC)装置、射频装置、微波装置和
/或等等°
[0031]以下提供的是轨迹同步中出现的缩写示例:空中交通管理(ATM);飞行管理系统(FMS);空中交通管制(ATC);航途自动化现代化(ERAM);普通自动雷达终端系统(普通ARTS);基于轨迹的运行(TBO);空中导航服务提供商(ANSP) ;US下一代空中运输系统(NextGen);单一欧洲天空ATM研究(SESAR);用于数据链路的4D轨迹(4DTRAD);自动飞行控制系统(AFCS);飞行路径意图服务(FLIPINT);空间(纬度、经度、高度)和时间4维轨迹(4DT);消息(Msg);特殊活动空域(SAA);交通流量管理(TFM);轨迹预测器(TP);飞行信息区域(FIR);扩展投影轮廓(EPP);以及“收信照办”(WILCO)。
[0032]所披露的各实施例可以涉及同步飞机飞行管理系统(FMS)、地面空中交通管制(ATC)系统以及其他空中交通管理(ATM)系统所预测的不同轨迹。以前的轨迹同步方法可以根据所交换的数据的类型来分类:
(a)飞行意图，
(b)飞机意图(Al),
(C)行为模型，或
(d)预测轨迹。
[0033]飞行意图主要可以是飞行计划所携带的信息(如横向路点和巡航高度)，但是它不足以使得同步准确，因为它未包含足够信息来从其中构建对四维(4D)预测轨迹的一个明确再现(即，从同一飞行计划可能生成多个不相似的轨迹)。已经做出仅仅基于飞行意图和跟踪信息来改进基于地面的系统的近程估计能力的一些尝试，但更准确水平的同步是通过更良好的空-地信息交换可实现的。
[0034]基于飞机意图的同步可以依赖于使用FMS所提供的飞机意图(Al)，该Al指定构建执行飞行计划的4D轨迹所需的引导模式和控制指令。然而，地面系统通常具有比FMS更多的情景信息(即，限制和背景流量)并且需要对反映出地面系统可用的所有知识的一个轨迹有效；其次，即使两个轨迹预测器可以从相同Al输入开始，天气预报模型和飞机性能模型(APM)的差别也可能导致显著不同的4D预测。
[0035]飞机意图(Al)数据的量和其必须进行交换以同步轨迹的频率还可以使用现有数据链路进行抑制。此外，仅交换Al信息以修改飞机的轨迹可能得到在使用不同APM的情况下飞机无法飞行的一个轨迹。使用Al指定轨迹还使允许飞机在多个已知约束内灵活优化其轨迹的可能性丧失。类似缺点影响作为一种轨迹同步手段的飞机行为模型数据的交换。由下行传输FMS所预测的4D轨迹并由地面系统“按原样地”使用该轨迹构成的第四同步方法具有的优点在于其可以对用户偏好进行编码。然而，这种方法受以下事实限制:FMS4D轨迹仅是对当前条件和约束的一个预测，并且如果地面上的条件变化要求构建替代轨迹的话，就不得不丢弃该4D轨迹，并且必须在地面上构建一个全新的轨迹，从而为打断同步提供可能。
[0036]所披露的各实施例可以提供一种用于基于由地面ATC协调的顺序阶段的轨迹同步的过程。以下阶段可以描述仅用于空-地轨迹同步的过程(一个类似过程用于地-地轨迹同步):A.出航前/FIR(飞行信息区域)交叉前阶段:(a)初始轨迹请求:当地面系统接收到飞行计划并且已经达到一段时间时，地面系统向空中系统发布一个轨迹请求，该一段时间是在估计的出航时间前(如果飞行在设施或扩展设施、即NAS内部)或在FIR交叉之前可设置数量的若干分钟；可以将FMS轨迹下行传输给ATC系统；(b)路线一致性验证:可以将FMS轨迹与地面轨迹进行比较以检测限定2D路线的纬度和经度信息的差异。轨迹比较可以通过一种尖点到尖点(其中尖点表示轨迹变化点)差分法实现，该方法由以下步骤组成:
(a)选择轨迹的其中希望同步的一部分(或一个或多个部分)(完整轨迹可以不经受同步，例如，如果飞行正在离开受控空域)；
(b)将FMS轨迹称作Tl，将地面轨迹称作T2；
(c)按尖点顺序遍历Tl，针对每个尖点，将该尖点的2D位置垂直投影在T2上(如果不存在垂直投影，选择最近的点作为‘投影’点)。
(d)计算尖点与投影点之间的2D距离；
(e)如果距离大于一个阈值，将这个尖点标记为有差异的；
(f)针对Tl的所有尖点进行重复；
(g)重复上述步骤，但这次遍历T2；
(h)报告有差异的尖点。
[0037]对于FMS轨迹(TRl)中的所有有差异的尖点:
(a)如果该尖点在T2中必需并且在Tl中缺失，在FMS中创建用于插入该尖点的一个指令(例如，将其指定为纬度/经度或者地点/方位/距离)。
(b)如果该尖点在T2中必需并且未在Tl中正确定位，创建用于移除该未正确定位的尖点并插入一个新尖点的一个指令。
(C)如果该尖点在Tl中而不在T2中并且不违反T2中的任何限制(如特殊活动空域)，将该尖点插入T2中。
[0038]如果必要，从FMS请求一个新的4DT下行链路以用新的横向尖点更新Tl。
(a)(c)限制符合性验证:在横向路线同步后，可以验证FMS轨迹以便确保其与高度和速度限制相符合。
(b)遍历一个约束适用的T2中的尖点，确定Tl中的等效位置(或者通过找出Tl中的对应命名的横向定点,或者通过在Tl中的边界尖点之间进行内插)。
(c)计算或者提取Tl中的等效位置处的高度和/或速度。
(d)如果Tl轨迹信息包含限制信息，提取这个限制信息。
(e)将Tl中的等效位置处的高度和/或速度与来自T2的约束要求进行比较。如果Tl中的高度/速度与该约束相差超过一个特定公差，将限制标记为已被违反。如果Tl包含限制信息(表明FMS已经输入约束)并且该限制已被违反，将该限制标记为不可实现的(即，FMS 了解该限制，但例如因性能限制而无法满足该限制)。
(f)(d)可以集合多个指令以便校正在步骤(b)(如果先前未执行)中检测到的差异和在步骤(c)中识别出的限制违反情况；这些指令可以经由已建立的空-地通信系统(如CPDLC)来传达给操作人员(飞行员或A0C)。
(g)(e)FMS系统可以应用在步骤(d)中识别出的这些变化；
(h)(f)空中系统可以将FMS轨迹下行传输给地面系统(或者经由来自地面系统的一个请求，或者经由飞机上的一个自动触发器)；地面可从飞机接收一个空间(纬度、经度、高度)和时间四维轨迹(4DT)。考虑到FMS生成的轨迹与ATC生成的轨迹之间所预期的差异的主要来源可以是在起飞、初始爬升、下降、最终进场以及着陆过程中高度和速度的变化速率(即，垂直轮廓)，如果需要的话，飞机4DT的下行链路可以提供地面上用于实际可替代轨迹的重构所需的信息。
(i)(g)地面系统可以使用FMS轨迹尖点来构建一个轨迹。一种构建同步地面轨迹的方法可以是插入具有与在FMS轨迹中发现的那些尖点的地理位置、高度以及时间相同的多个尖点；取决于FMS轨迹中的可用数据，两个替代方案可以用于设置速度和加速度。
(j)对如片段长度和持续时间所表明的将具有恒定(任意)速度的片段进行近似；以及
(k)基于FMS轨迹中所提供的片段长度、持续时间以及风速(例如，如在RTCA ADS-CEPP中所指定的)来计算片段加速度。这两个方法中所涉及的误差可以取决于片段持续时间，因此，应当提供多种手段来允许在上面步骤(d)中插入额外的轨迹点(任意的纬度/经度点)，以使得可以将FMS轨迹中的长片段分割成更小片段，从而维持所要求的保真度。纵向预测误差可能随着时间增长并且可能对取决于轨迹的多个功能(如冲突探测)有不利影响，因此，这些功能的准确度要求可以决定所允许的最大公差并且转而决定最大片段长度。
(DB.飞行中阶段
(m)下述步骤适用于已通过第一同步阶段的轨迹；
(n) (h)初始纵向(时间)重新一致:一旦地面系统检测到一个适用触发器(例如，接收到一个出航或FIR交叉消息以及飞机起飞消息，或者已经过一个特定时间段)，就可以使地面轨迹可以纵向重新一致(可以重新计算尖点时间以与所提供的时间信息一致)。
(O)—致性监测:随着飞行继续进行，可能出现导致失去同步的多种情况(例如，跑道分配的变化、不可预见的风力变化、风力预测误差、管制员的战术干涉、天气引起的改航、成本指数造成的速度变化等)。由于这个原因，可能必要的是，地面系统检查监视系统所提供的针对活动轨迹的感测位置报告，并且在缺乏一致性监测的情况下，可以向活动轨迹应用校正；这个操作可能导致由上述a至g步骤组成的一个重新同步过程。可替代地，飞机可以应用一个自动检查以便下行传输一个已更新轨迹，并且在一个新FMS轨迹与一个先前下行传输/同步的轨迹相差在任意维度上相差一个可指定公差时重新发起一个同步。
(P) (j)风力同步:空-地风力模型差异可以潜在地是导致以下两类问题的显著误差的一个另外来源:(I) 一个同步轨迹在短的时间间隔中反复失去一致性，因而触发多个重新同步操作，以及(2)沿着一个无冲突的同步轨迹飞行的飞机在未来遇到将会引起战术干涉并且因此使同步益处无效(并且甚至可能引入多种不利影响)的一个实际冲突(因风力差异而不可预测)。风力数据的误差和空-地系统之间的风力模型的差异可能导致一个或多个纵向误差(Sx)随着预测时间(T)按照sx = T Sv而增长，其中Sv =地面速度误差并且可能成为一个显著误差来源。风力建模的差异可以导致无效冲突探测预测。可能不会考虑在地面系统中使用FMS风力数据，因为使用不同风力数据的邻近飞机冲突预测将会导致错误的或错过的警报。冲突探测可能要求将风力模型一致地应用到所有飞机上。如果FMS所使用的风力数据被使得可作为FMS轨迹下行链路(例如，如在RTCA ADS-C EPP中所指定的)的一部分而获得，地面系统可以检查这些风力模型的一致性。如果除了 FMS风力数据之外，还存在一个风力模型年龄(自预报被计算出的时间)或风力准确度(品质因数)信息，地面系统可以评估FMS所使用的风力数据的可靠性。因此，如果地面系统认为FMS所使用的风力数据是陈旧的或不可靠的，则地面系统可以向飞机上行传输新的风力数据以供FMS中的风力混合算法使用；另一方面，如果FMS中的风力数据是“新鲜的”并且如果存在一个显著差异(即，相对内在风力模型误差而言较大的)，则地面系统可以增加多种预测缓冲以将较大探测误差考虑在内(例如可以执行冲突探测，以便增加用于适应速度上的不确定性的一个缓冲)。
[0039]由于以下原因，所披露的各实施例可以提供对常规系统的这些问题的一个解决方案:所披露的各实施例可以将用户偏好考虑在内:通过使用(符合限制且横向同步的)下行传输的FMS轨迹来构建地面轨迹，包括FMS为了构建它自己的轨迹而做出的所有优化选择可以被自动并入地面系统中(例如，如果FMS对一个优化下降进行建模，地面系统中的垂直轮廓可以反映这种优化)。通过交换飞机意图(Al)数据与轨迹数据的一个组合，所披露的各实施例可以解决与同这些数据项(如在之前项中所描述的)中的每一项有关的单独限制相关的多个问题。所披露的各实施例的轨迹同步可以是高度动态的，并且因此允许现实情况中出现的所要求的调整。
(a)所披露的各实施例在同步轨迹上提供灵活性以允许FMS在同步约束内优化轨迹。
(b)所披露的各实施例可以根据当前或计划的技术和概念(CPDLC、数据通信、ARINC702A.SC-214等)构建，并且因此可以允许一个混合装备环境中的一个初始实现方式以及ATC系统朝TBO的平滑演进。
[0040]图1是根据一个实施例的一个动态轨迹同步过程的框图。该过程可以被视为在一个飞机上所执行的活动、由一个飞机计算机执行的飞机处理以及在地面上所执行的活动、由一个地面计算机执行的地面处理。图1的细节示出了飞机和地面系统中用于维持两个实体之间的同步的处理部件。现有部件是飞机飞行管理系统中的包括诸如总重、巡航高度以及成本指数或其他速度规范等性能数据的飞行计划104、轨迹预测器102、活动轨迹106部件，加上地面自动系统中的对应飞行计划120、轨迹预测器122以及预测轨迹124。飞行计划104为飞机提供本领域的技术人员所熟知的用于横向导航(LNAV)和垂直导航(VNAV)的协定输入指导。轨迹同步部件包括飞机中的标记上一下行链路108的一个同步轨迹和比较器110、地面上的一个同步轨迹116和比较器118、以及下行链路112和上行链路126模块。如在此所使用的，一个上行链路是可表现为数据、语音、文本或其他形式的通信的形式的与外部源的一种通信。
[0041]在已请求机载动态同步监测的地面上，轨迹同步是通过激活比较器110来发起的。这个比较器将飞机的活动轨迹106与其同步轨迹(如上一下行传输的轨迹108)比较。如果不存在同步轨迹，必须通过复制106a将活动轨迹106下行传输到下行链路模块112上。否则，如果检测IlOa到一个显著差别，活动轨迹106成为新同步轨迹并且通过下行链路模块112下行传输到地面上。另外，应注意，形成飞机的飞行计划104的一部分的约束104a被/可以附加在下行链路模块112处以包括在同步轨迹中。随后，无论何时出于何种原因进行更新或重新预测活动轨迹106，飞机的比较器110都被触发。
[0042]一个轨迹下行链路通过EPP114刷新地面的同步轨迹116并且触发地面的比较器118。地面的比较器118还在地面计划或飞行计划120由于引起地面预测轨迹124变化的任何原因而发生变化(可能由地面发起)时被触发(该触发可以是瞬时的，然而，也可以增加一个时延以确保来自空中的任何可能反应下行链路已被接收)。地面的比较器118将EPP114所提供的下行传输的轨迹与地面预测轨迹124进行比较以与路线和限制118a相一致。另外，该比较检查轨迹与非飞行计划限制(如扇形交叉限制或特殊活动空域)的符合性。如果该比较是有利的，同步轨迹被复制124a到地面预测轨迹124并且同步得到实现。否则，针对地面飞行计划120和/或飞机飞行计划104创建修改选项。对修改哪个飞行计划的选择可以通过算法确定并在没有管制员干涉的情况下执行，或者可以将这些选项呈现给管制员以便进行选择和批准。作为替代，管制员也可以创建其自己的修改。对地面飞行计划120的任何修改在一个可能时延后触发地面比较器118，如在上文所指出的。
[0043]对飞机飞行计划的修改被编码成一个CPDLC消息120b并通过CPDLC命令上行链路模块126上行传输给飞机。如果一个上行传输的消息引起对飞机的飞行计划104的修改和随后的对活动轨迹106的重新预测(在轨迹预测器102处)，飞机的比较器110如在上文所指出的那样被触发，这随后可以导致一个轨迹下行链路108。因此，该过程如上所述的那样重复其自身。可能必要的是首先取消飞机上的动态比较；例如，如果飞行计划变化要求多个CPDLC消息120b，或者即使单个CPDLC消息120b导致在飞机上执行多次飞行计划编辑，这可能触发轨迹预测器102或活动轨迹106处的多次活动轨迹重新计算。例如，可以将信号保留在轨迹预测器102处，直至飞机上的飞行管理系统(FMS)确定该信号应被释放、或者在被延迟些许周期后释放。在已经通过调用飞机上的一个周期性触发102a协调所有必要变化后，可以重新发起比较器110处的比较监测。可替代地，FMS可以实施逻辑用于检测多个轨迹预测将何时快速连续发生并且抑制新轨迹的下行传输直至所有变化都已被实施。为了防止无限循环，在例如EPP114处，一个计数器(未示出)追踪实现同步所要求的轨迹下行链路的数量。这个计数器在每个轨迹下行链路112后递增，并且每当同步被实现或者地面计划被管制员修改，该计数器就被重置。当该计数器超过阈值时，到飞机的另外的自动同步相关上行链路被挂起，直到该计数器被重置。
[0044]比较器110可以由多个扰动101触发，这些扰动通过飞机监测或通过改变地面上的数据而引起检测到一个轨迹变化。一个飞机轨迹变化还可能是由飞行管理系统所触发的周期性更新或对飞机轨迹的重新预测(轨迹预测器102)引起。一个扰动101是一架飞机所检测到的一个变化、来自一个外部源的变化数据或一个周期性触发中的至少一个。一架飞机所检测到的一个变化是大气条件变化、飞行员输入变化、航线输入变化或其他状态测量结果或飞机检测到的扰动中的至少一个。可能导致需要重新同步的飞机检测到的扰动101包括大气条件与预测大气条件的偏差、或飞行员输入或航线输入的变化。
[0045]可以由地面监测120z通过周知的流量管理系统检测的扰动101是诸如流量管理，以及要求地面干涉的多种不可预测事件(如对与其他飞机间隔的需要、对流天气、与一个特殊用途空域的冲突或调度变化)之类。然而，轨迹同步过程(如比较器I1和118)并不需要了解导致需要检查以进行重新同步的触发器是什么；它仅需要知道要求进行一次重新同步检查。
[0046]可用于比较器110和比较器118中的一个可能的轨迹比较算法最初应当如下这样识别2D路径的差别:
[0047]识别两个轨迹之间2D路径的差异:T1:轨迹1，如活动轨迹；T2:轨迹2，如同步轨迹(i)将Tl尖点垂直(或在不存在垂直的情况下的最近距离)投影在T2片段上；(ii)将T2尖点垂直(或在不存在垂直的情况下的最近距离)投影在Tl片段上；(iii)找出Ε!=T1-T2之间最大垂直间距(来自先前步骤)；如果ε\θ 1:轨迹在水平维度上同步(Θ 1=阈值)，否则距离列表di> Θ I被识别为差异。
[0048]因此，轨迹同步导致地面上的两个改进轨迹，S卩，地面预测器124所预测的轨迹，以及同步轨迹116的从飞机下行链路112构造的地面版本。飞机轨迹预测器102所使用的飞机性能模型通常要比地面轨迹预测器122可获得的性能数据更为准确，但鉴于对机身和发动机制造商的专有性能特性的考虑，因此在地面上复制这些模型所需的数据是不可用的。由于这个原因，地面预测轨迹124在垂直和纵向维度上通常不如同步轨迹准确。然而，地面轨迹预测器122所使用的输入(如目标速度和高度)可以变化以便执行“假定推测”试验计划，这对于评估潜在轨迹修改的影响是重要的，例如，用于管理飞机到达时间使其满足一个计量调度，而不必须针对每个潜在修改创建一个同步轨迹。另一方面，同步轨迹是对飞机的预测轨迹的一个准确得多的表示，但同步轨迹是仅表示当前计划的一个静态快照，并且因此在一个约束或冲突要求对轨迹进行修改时，同步轨迹对于“进行假定推测”目的是无用的。
[0049]图2是根据一个实施例的示出在一个飞机系统和一个地面系统处的信息交换以完成轨迹同步的图。图2示出在没有ADS-C事件合同的情况下创建一个同步轨迹的过程。每个序列涉及从地面到空中的一个上行链路消息(uM137、uM339、uM267、uM264)、之后是从空中到地面的一个下行链路消息(dM123、dM0)。一个上行链路消息可以是一个CPDLC消息或用于设置ADS-C合同的一个消息，而一个下行链路消息可以是一个CPDLC消息或一个ADS-C报告。这些消息交换首先实现将公共输入同步到空中和地面轨迹预测器的任务。然后，使用来自上一序列的下行链路的信息构建同步轨迹240。有待同步的第一公共轨迹预测器输入是地面或横向路线。地面路线由一个出航片段、一个航途片段以及一个到达片段构成。该出航和到达片段由一组机场、跑道以及终端程序名称指定，其中一些可以是可选的。在起飞前过程中，这些项被在空中与地面之间经由一个第一轮消息交换205a同步，并且体现在所提取的飞行计划205中。然而，一旦在飞行途中，跳过该第一轮，因为假定空中和地面两者都通过轨迹同步之外的手段得到到达机场、跑道或程序的任何变化的通知。如图2所示，第一轮交换开始于地面向空中发送请求其关于所加载的出航和到达程序的信息205a(CPDLC消息uM137)的一个消息205a，之后空中用这个信息(CPDLC消息dM123)的一个下行链路(提取飞行计划205)进行响应。使用这个信息，地面在称为比较飞行计划220的过程中比较空中(提取飞行计划205)与地面(修改飞行计划225)之间的机场、跑道以及程序名称。如果发现任何差别，在地面动作230中确定将使用的正确名称，并且如果这引起了地面的任何变化，在修改飞行计划225过程中应用对地面路线的适当修正。随后，如果如空中动作235所确定的，需要对空中的任何修正，这类修正在由有待由修改飞行计划215过程执行的一个第二轮路线修改交换(CPDLC消息uM264、uM267或uM339)中被发送到空中，之后会从空中得到一个确认215a(CPDLC消息dMO或dMl)。如果该确认是肯定的(dMOWILCO)，发起一个第三轮交换，该第三轮交换以地面向空中发送对飞机预测轨迹的一个下行链路(ADS-C需求合同(DC)设置)的一个请求(消息215b)开始，之后空中用该轨迹的下行链路210a连同飞机已知的高度和速度限制(ADSC-C报告)进行响应。然而，如果不需要对空中进行修正，跳过该第二轮，直接转至上述第三轮来执行。如果这一第三轮交换是在飞行过程中由地面发起的话，该第三轮交换也是一轮轨迹同步开始的地方。利用来自该第三轮交换的包括航途路径以及从程序名称扩展的出航和到达路线途的下行传输的信息，地面可以比较并同步空中与地面之间的地面路径，如下所述。
[0050]有待同步的第二轨迹预测器输入是高度和速度限制。来自上述第三轮的空中/地面交换的下行链路还提供空中预测器已知的所有限制。因此，在第三轮交换后，除了地面路线之外，地面还准备好比较空中和地面之间的高度和速度限制。实际上，在从空中接收到一个轨迹下行链路后，地面总是做出相同的两个比较。首先，它将空中轨迹所遵循的横向路线(程序和航点序列，而非详细转向信息)与地面轨迹所遵循的横向路线进行比较。其次，它将空中轨迹已知的高度和速度限制与适用于地面轨迹的那些高度和速度限制进行比较。如果在任一比较中发现任何显著差别，针对空中和/或地面生成修正(地面动作230和修改飞行计划225)，以使得轨迹对准。首先应用对地面的修正。然后，如果不要求对空中的修正，轨迹预测器输入的同步完成，并且控制传递给构建同步轨迹240过程处的从下行传输的信息构建同步轨迹。然而，如果需要对空中的任何修正，类似于上述第二轮交换，这类修正在一个第四轮交换中被发送235a到空中，之后类似于上述第三轮交换，一个第五轮交换下行传输预测轨迹。地面在从第五轮接收一个轨迹下行链路后所执行的动作与在第三轮后所执行的动作是相同的。为了避免无限循环的可能性，实施逻辑以防止将先前已经收到一个肯定确认的任何修正重新发送到空中。因此，一个同步轨迹通常是在起飞前不超过五轮的空中/地面消息交换或者在飞行过程中不超过三轮之后构建而成。
[0051]图3是根据一个实施例的不出在一个飞机系统和一个地面系统处使用ADS-C事件合同的信息交换以完成轨迹同步的图。图3示出在使用一个ADS-C事件合同时对图2的修改。这个实施例给出了上述方案中第二轮交换和第三轮交换(或第四轮交换和第五轮交换)之间的关系可能出现的一个潜在问题的一种解决方案。第二轮使用CPDLC消息传送，而第三轮使用ADS-C。这些是相互独立的不同消息传送系统。第三轮消息意图在来自第二轮的修正已被应用后捕获飞机轨迹，但由于来自第二轮的一个WILCO确认并不一定意味着针对一个新预测轨迹的修正应用的完成，因此没有办法保证在第三轮消息中下行传输的轨迹是在这些修正已被应用并且因此包含了所请求的改变之后构建而成的。使用一个ADS-C事件合同而不是一个来自地面的轨迹请求来获得所需轨迹解决了这个问题。一个ADS-C事件合同强制飞机每当其预测轨迹与上一下行传输的轨迹充分不同时就下行传输其预测轨迹。如果这个轨迹是因为来自第二轮消息的飞行计划修正而构建的话，可以保证捕捉到这些修正。如果这些修正导致多次轨迹迭代(例如，速度和高度约束被单独输入并且导致轨迹在将地面所请求的所有修正都考虑在内之前被重新预测多次)，飞机上的逻辑可以抑制中间轨迹的下行链路直至所有修正已被并入。为了确保无论变化的量多少轨迹都被下行传输(以便完成同步循环)，在发送一个修正之后，地面可以设置有待在接收WILCO后一段预设时延时发送的一个备份轨迹请求。如果在这个时间段期间接收到一个轨迹下行链路，该挂起的轨迹请求就被取消。否则，该备份轨迹请求将促成一个下行链路。正确同步并不依赖于时延设定。过短的一个延迟只是引起一轮额外的消息传送被浪费，而过长的一个延迟只是增加了关闭所需的最长时间。一个可替代方法是:当未检测到足够大的变化时，使得飞机发送例如一个空轨迹，并且在接收到这一空轨迹时，使得地面跳至根据先前下行传输的信息构建一个同步轨迹340。然而，实施这一操作将会要求对ADC-C事件合同机制的扩展，因为当前规范并不支持这种特征。可替代地，可以用这样一种方式来设置ADC-C事件合同机制以保证一旦一个同步过程已经开始，新轨迹预测210将会始终触发一个下行链路，例如通过将比较轨迹312处的用于比较的公差设置为一个非常小的值。然而，这将要求一旦同步过程完成就要用更合理的公差发起一个新事件合同。
[0052]构建一个同步轨迹实现了飞行前轨迹同步的目标，并且在给定已知条件和输入的情况下表现出对飞机将飞行的轨迹的最准确的估计。然而，由于未来事件和大气条件的固有不确定性，这个轨迹的准确度随着“预见时间”(到未来的预测时间窗口)降低，因为飞机实际轨迹受到实际风力与预测风力之间的差别以及由飞行员或管制员导致的飞行意图的任何变化的影响。因此，在起飞后，轨迹同步的焦点从创建一个初始同步轨迹转移到响应于图1所示动态扰动和不确定性维持该轨迹表示飞机的预测轨迹的准确度。这个新焦点被称作动态轨迹同步或修改动态轨迹同步。
[0053]飞行前轨迹同步与动态轨迹同步之间的一个显著差别在于后者在一个动态环境中操作，在该动态环境中，诸如提取飞行计划205等飞行计划或地面上的轨迹可能随时受到许多独立操作的子系统影响。由于飞行员或地面管制员的工作负载以及与轨迹信息通信相关的带宽约束，在这个环境中重要的是，空中/地面交互保持简短，并且多个交互彼此独立。这种方法实现这一特性的一个关键属性是地面在每次例如从下行链路轨迹210接收到一个轨迹下行链路时采取同一动作，不管什么引起了该下行链路或者在其他时间时发生了什么。由于这点，CPDLC与ADS-C消息发送系统的独立性不成问题。通过一个ADS-C事件合同在CPDLC与ADS-C之间建立的链接，同时以一个ADS-C需求合同作为备份满足了要求。在这种方法中用于动态同步的核心空中/地面交互是以下过程:以来自空中的轨迹下行链路210 (呈一个ADS-C报告的形式)开始，并且或者以构建一个同步轨迹或者以一个CPDLC消息的形式到空中的一个上行链路命令并且空中随后执行这个命令而结束。每个这类核心交互是异步的并且独立于其他交互。完全同步要求这些核心空中/地面交互中的一个或多个并且以刷新同步轨迹结束。
[0054]图4示出根据一个实施例的带有多个动作的动态轨迹同步流程图。该动态轨迹同步流程图包括用于监测和修改例如像一个提取飞行计划405、地面比较410、空中修改飞行计划415、一个地面修改计划430、一个地面同步轨迹450、一个空中比较轨迹425以及一个下行链路轨迹435等轨迹的多个过程。图4呈现示出将在下文描述的各种动作的轨迹同步的概要流程图。为了确定将要采取什么动作，多个监测器被设置在飞机10(如过程405、415,425以及435)中和地面60上，以便监测前一同步或下行传输的轨迹与最新的预测轨迹或飞机观察结果之间的某些偏差。每当这类偏差超过指定阈值，发起如下行传输飞机轨迹435等特定动作。监测和动作发起的主要责任委托给飞机，如比较轨迹425，其中地面作为备份，如比较410。这是因为飞机使用实际大气条件来维持最准确的且最新的轨迹。当空中检测器和地面监测器的阈值被相对于彼此适当设置时，很少需要从地面发起轨迹同步。将监测责任委托给空中存在两个主要优点。第一，空中系统具有更准确的飞机意图(即，对预测轨迹未来状况的变化的了解)、可访问飞行特定的用户偏好和飞机特定性能参数(扰动101)(这两者都应当使得预测更准确)，并且飞机活动轨迹被用于在接合LNAV/VNAV时引导飞机；地面对飞机状态和飞机意图的了解限制于通过监视所得的飞机当前状态和无障碍的飞行计划405以及修正。因此，对飞机所预测的未来飞机位置或到达时间的任何显著改变都会通过空中监测比地面监测快得多地反映在地面同步轨迹450中。第二，当轨迹下行链路由飞机10发起时消息发送带宽比由地面60发起时低，因为前者仅要求一个下行链路，而后者要求一个上行链路、之后一个下行链路。
[0055]图5A是根据一个实施例的一个空侧轨迹同步系统的图示。图5A和图5B是示出包括下述轨迹同步处理器和监测器的空侧(图5A)和地侧(图5B)的各个部件之间的相互关系的系统框图。这些空侧部件包括对存储在标记有状态502的存储器中的飞机状态参数的监测、诸如一致性监测器504、轨迹预测器508、所存储的飞行计划506、活动轨迹510之类的飞行管理部件。另一部件是空侧轨迹同步处理器(ASTSP)，其包括一个比较器514、交换飞行计划512模块、创建下行链路516模块、ASTSP —致性监测器518和下行链路轨迹520，以及到地侧处理器的多个数据链路。主要飞机监测器是一个比较器514，该比较器在每次现有轨迹由于各种原因如由一致性监测器504和活动轨迹510更新，或者飞机的轨迹预测器508创建一个新轨迹时被触发。它计算飞机的轨迹预测器508所预测的最新轨迹与通过下行链路轨迹520下行传输到地面的上一轨迹之间的一个或多个差别。如果任何差别超过一个指定阈值，在创建下行链路516处向地面发起一个轨迹下行链路。这个阈值可以基于操作需要和不确定性水平，或空中与地面轨迹之间的可容忍的差别进行设置。对活动轨迹510与上一下行传输的轨迹520之间的监测有用的量包括轨迹的爬升顶点与下降顶点之间的时间或距离的偏移、或在这些点处轨迹之间的最大垂直间隔。也对监测有用的是如计量定点或交合点等关键点处的估计到达时间的变化、或如下降片段等一个轨迹片段内的最大垂直间隔。由于飞机监测器使用上一下行传输的轨迹作为参考以供进行比较，因此，当该轨迹在地面上的对应同步轨迹发生时间迁移时，这个轨迹同样需要进行时间迁移。为了实现这个目标，飞机中的一个第二监测器(ASTSP—致性监测器518)将飞机的感测位置(状态502)与该位置在上一下行传输的轨迹520上的投影进行比较。通过与下述地面监测器类似的方式，如果在感测位置(状态502)与投影位置(下行链路轨迹520)之间检测到超过一个阈值的一个时间差别，将一个时间迁移518a应用到上一下行传输的轨迹的未来部分上。通过匹配空中监测器与地面监测器(状态502和跟踪552)的时间阈值，可以使上述轨迹的时间迁移得到同步。
[0056]图5B是根据一个实施例的一个地侧轨迹同步系统的图示。地侧部件包括跟踪552存储装置、地侧一致性监测器554、飞行计划管理器556、飞行计划558、轨迹预测器560、预测轨迹562、一致性监测器550、处理器562、同步轨迹564以及模型匹配566。图5B所示地面上的一个伴随一致性监测器554将飞机的如存储在跟踪552中的观察位置与该位置在同步轨迹564上的投影进行比较。如果观察位置与投影位置在水平位置或高度上相差超过对应的阈值，通过在创建下行链路516处请求一个轨迹下行链路来向飞机发送一个消息562a以便发起飞行中同步。为使消息发送最小化，如果观察位置与投影位置仅在时间上有所不同，而水平或垂直维度的任何差别在公差内，就不请求一个轨迹下行链路(飞行管理器556)。这是因为一个时间差别本身最可能是仅由出航时间上的一个误差或实际风力与预测风力之间的一个差别引起，并且为了补偿这种情况，可以简单地以一个时间迁移的形式将一个一阶校正应用到同步轨迹上。
[0057]最后，一个检测器对可能显著改变预测轨迹560的地面飞行计划558的任何变化进行检测。按照推测，对空中飞行计划506的一个改变应当通过轨迹同步之外的一些手段伴随着对地面飞行计划的一个相应改变。在这种情况下，应当不需要来自地面的动作。然而，在一个管制员将一个变化输入到地面系统中但忽略了将该变化发送给飞机的情况下，所希望的是轨迹同步可以检测并校正这种差别。为了确保这一目的，在检测到地面飞行计划558中的一个变化时，飞行计划管理员556的一个轨迹请求被设置成在该检测后一个预定时延发送到空中。如果在这个时延期间接收到一个轨迹下行链路，取消该轨迹请求。一个轨迹下行链路无论如何都满足要求，因为目标仅在于在检测到一个飞行计划变化后在一个时间限制内强制进行至少一个飞行计划比较。由将对飞行计划的一个修正经由一个外部机制发送给飞行员的一个管制员忽略将该修正输入到地面自动系统中组成的相反情况也以一种自然方式来处理。该修正通过空中得到处理，该修正由空中监测器检测到，这转而会触发一个EPP下行链路，从而关闭循环。
[0058]图6是根据一个实施例的出航前轨迹同步的框图。
[0059]在步骤610中，一个初始轨迹请求:当地面系统接收到飞行计划(FP)并且已经达到估计出航时间之前的一个参数数量的若干分钟的一段时间时(如果飞行是在设施或扩展设施、即NAS内部)，或者在飞行进入飞行信息区域(FIR)之前、当飞行在NAS之外起飞时，地面系统向空中系统发布一个轨迹请求(TR) ;FMS轨迹可以被下行传输到ATC系统。在步骤620中，地面TP根据FP构建4DT。在步骤630中，ANSP建立ADS-C合同，以便自动获得FMS中创建的4DT对象。在步骤640中，飞机10根据FP构建一个高保真度轨迹并且将其经由ADS-C下行链路提供给地面系统。在步骤650中，验证步骤640中的高保真度轨迹和来自地面TP的4DT。
[0060]在步骤650中，对路线一致的验证通过以下方式进行:将FMS轨迹与地面轨迹进行比较以检测界定2D路线的纬度和经度信息的差异。轨迹比较由一个计算机完成，该计算机执行多个指令，这些指令执行尖点到尖点差分，该差分由以下步骤组成:
a.选择轨迹的其中希望同步的一部分(或一个或多个部分)(完整轨迹可以不经受同步，例如，如果飞行正在离开受控空域)；(ii)将FMS轨迹称作Tl，将地面轨迹称作T2 ;
(iii)按照尖点次序遍历Tl，针对每个尖点，将该尖点的2D位置垂直投影在T2上(如果不存在垂直投影，则选择最近的点作为‘投影’点)；(iv)计算该尖点与该投影点之间2D距离；
(b)如果距离大于一个阈值，则将这个尖点标记为有差异的；
(c)针对Tl的所有尖点进行重复；
[0061](c.)重复上述步骤,但这次遍历T2 ；
[0062](d)报告有差异的尖点。轨迹比较还可以在沿飞行路线不同导航点处的估计到达时间(ETA)之间进行。
[0063]另外在步骤650中，限制符合性验证是通过确保FMS轨迹(飞机轨迹)与高度和速度限制相符合来进行。
[0064]在步骤660中，集合了多个指令，以便校正在步骤650中检测到的差异和在步骤650中识别出的限制违反情况；这些指令可以经由已建立的空-地通信系统(如CPDLC)来传达给操作人员(飞行员或航线运行控制中心A0CC)。
[0065]在步骤670中，FMS系统应用在步骤660中识别出的变化并且产生一个新FMS4DT。这个新4DT被下行传输给地面系统以便进行处理。空中系统将该FMS轨迹下行传输到地面系统。
[0066]在步骤680中，地面从飞机(FMS)接收一个空间(纬度、经度、高度)和时间四维轨迹(4DT)。考虑到FMS生成的轨迹与ATC生成的轨迹之间所预期的差异的主要来源可以是在起飞、初始爬升、下降、最终进场以及着陆过程中高度和速度的变化速率(即，垂直轮廓)，如果需要的话，飞机4DT的下行链路可以提供地面上用于实际可替代轨迹的重构所需的信息。
[0067]继续步骤680，地面系统可以使用FMS轨迹尖点构建一条轨迹。一种构建同步地面轨迹的方法可以是插入具有与在FMS轨迹中发现的那些尖点的地理位置、高度以及时间相同的多个尖点；取决于FMS轨迹中的可用数据，两个替代方案可以用于设置速度和加速度。ATC中的地面计算机执行以下指令来构建一个同步轨迹:
(1)对如片段长度和持续时间所表明的将具有恒定速度的片段进行近似(有效平均地面速度等于片段长度除以片段持续时间)；以及
(2)基于FMS轨迹中所提供的点和风速(ADS-CEPP数据)来计算加速度。对于正在构建的每个轨迹片段，假定该加速度是恒定的，使用该片段的起始处的真实空速(TAS)、风速、该片段的持续时间T以及该片段的长度L可以推导出加速度a:a = 2*(L-v*T)/(T*T)，其中V是计算为真实空速与风速的矢量和的地面速度；可替代地(因为系统是超定的)，加速度可以直接使用该片段的起点处的地面速度vO、该片段的终点处的地面速度Vl以及该片段的持续时间T进行计算:a = (vl-v0)/To如果加速度是真实恒定的，则这两个就等效。这两个方法中所涉及的误差可以取决于片段持续时间，因此，应当提供多种手段来允许在上述步骤(d)中插入额外的轨迹点(任意的纬度/经度点)，以使得可以将FMS轨迹中的长片段分割成更小片段，从而维持所要求的保真度。纵向预测误差可能随着时间增长并且可能对取决于轨迹的多个功能(如冲突探测)有不利影响，因此，这些功能的准确度要求可以决定所允许的最大公差并且转而决定最大片段长度。片段持续时间T(或者等效片段长度)可以受控制以便限制地面轨迹与FMS轨迹之间的差异的大小，确切地说，一个片段内因非零加速度(b =该片段内的加速度变化)而造成的最大纵向误差等于误差=2*b*T*T*T/81 ;—个片段内因该片段起点处的空速(sv)的不确定性而造成的最大纵向误差是误差=sv*T/6 ;因当实际上加速度并不恒定时假定它恒定而造成的最大地面速度误差是误差=b*T*T/6 ;类似地，因垂直加速度(ah)而造成的高度的误差是误差=ah*T*T/8，T是片段持续时间。
[0068]下述步骤适用于已通过第一同步阶段的轨迹；
[0069]在步骤690中，这些轨迹通过执行以下步骤的一个更新模块来保持是当前的、新鲜的或更新的。初始纵向(时间)重新一致:一旦地面系统接收到一个出航或FIR交叉消息，就可以使地面轨迹纵向上重新一致(可以重新计算尖点时间以与所提供的时间信息一致)。(i) 一致性监测:随着飞行继续进行，可能出现导致失去同步的多种情况(例如，跑道分配变化、不可预测的风力变化、风力预测误差、管制员的战术干涉、天气引起的改航、因成本指数而造成的速度变化等)。由于这个原因，可能必要的是，地面系统检查监视系统所提供的针对活动轨迹的感测位置报告，并且在缺乏一致性监测的情况下，可以向活动轨迹应用校正；这个操作可能导致由上述步骤a至g组成的一个重新同步过程。因风力相关因素而进行更新。
[0070]在步骤690中，需要轨迹同步以补偿风力条件。空-地风力模型差异可以潜在地是导致以下两类问题的显著误差的一个另外来源:(I) 一个同步轨迹在短的时间间隔中反复失去一致性，因而触发多个重新同步操作，以及(2)沿着一个无冲突的同步轨迹飞行的飞机在未来遇到将会引起战术干涉并且因此使同步益处无效(并且甚至可能引入多种不利影响)的一个实际冲突(因风力差异而不可预测)。风力数据的误差和空-地系统之间的风力模型的差异可能导致纵向误差(sx)按照SX = T sv随着预测时间(T)增长，其中sv=地面速度误差并且可能成为一个显著的误差来源。风力预报的差异可以导致无效冲突探测预测。可能不会考虑在地面系统中使用FMS风力数据，因为使用不同风力数据的邻近飞机冲突预测将会导致错误的或错过的警报。冲突探测可能要求将风力模型一致地应用到所有飞机上。如果FMS所使用的风力数据被使得可作为FMS轨迹下行链路(如在ADS-C EPP数据中所提供的)的一部分而获得，地面系统可以检查这些风力模型的一致性。如果除了FMS风力数据之外，还存在一个风力模型年龄(自预报被计算出起的时间，如ADS-C MET数据消息所提供的)或风力准确度(品质因数)信息，地面系统可以评估FMS所使用的风力数据的可靠性。因此，如果地面系统认为FMS所使用的风力数据是陈旧的或不可靠的，则地面系统可以向飞机上行传输新的风力数据以供FMS中的风力混合算法使用；另一方面，如果FMS中的风力数据是“新鲜的”并且如果存在一个显著差异(即，相对内在风力模型误差而言较大的)，则地面系统可以增加多种预测缓冲以将较大探测误差考虑在内(例如可以执行冲突探测，以便增加用于适应速度上的不确定性的一个缓冲)。
[0071]由于以下原因，所披露的各实施例满足了本领域中对提供用于常规系统的问题的一个解决方案的需要:
(a)所披露的各实施例可以将用户偏好考虑在内:通过使用(符合限制且横向同步的)下行传输的FMS轨迹来构建地面轨迹，包括FMS为了构建它自己的轨迹而做出的所有优化选择可以被自动并入地面系统中(例如，如果FMS对一个优化下降进行建模，地面系统中的垂直轮廓可以反映这种优化)。
(b)通过交换飞机意图(Al)数据与轨迹数据的一个组合，所披露的各实施例可以解决与同这些数据项(如在先前项中所描述的)中的每一项有关的单独限制相关的多个问题。
[0072](C，)所披露的各实施例的轨迹同步可以是高度动态的，并且因此允许现实情况中出现的所要求的调整。
[0073]所披露的各实施例可以根据当前或计划的技术和概念(CPDLC、数据通信、ARINC702A、RTCA SC-214ADS-CSC等)构建，并且因此可以允许一个混合装备环境中的一个初始实现方式以及ATC系统朝TBO的平滑演进。
[0074]图7是根据一个实施例的一个飞行中轨迹同步的框图。
[0075]在动作710中，还可以捕获监视数据以帮助轨迹创建。在动作715中，ANSP检测关键事件(起飞、设施入口、第一监视报告、所到达的爬升顶点、所到达的下降顶点、扰动101、周期性触发)。来自动作715的信息随后由动作780使用，以使地面TP可以执行前一同步轨迹的纵向(时间)重新一致。在动作790中，该重新一致被用于验证轨迹的符合性。该验证的结果被发送给动作792以进行进一步处理。初始轨迹(动作705)被根据ADS-C合同请求从飞机10发送给使用该轨迹的其他地面自动部件(动作735至745)以及空中交通服务提供商(动作715)。飞机10执行对初始轨迹的处理，以便产生根据图1所概括的过程的4DT ADS-C周期性或按需式报告(动作720)、ADS-C事件报告(步骤725)以及飞行许可请求(步骤730)。在步骤735中，一个调度管理模块使用初始轨迹来生成一个相遇时间建议。在步骤740中，一个冲突预测与解决模块使用初始轨迹来生成一个冲突避免飞行许可，或者一个TFM使用初始轨迹来生成一个新约束。在步骤745中，一个一致性监测功能使用初始轨迹来检查与无障碍路径的飞行偏差。步骤720、725、730、735、740、745在步骤750中进行处理，以便确定一个同步触发事件。如果在步骤760中发现一个同步触发事件，控制就被传递给动作760以便进行进一步处理。在步骤760中，验证FMS4DT与ATC限制相符合、验证FMS和地面TP中的已转换的飞行路径相一致，并且ANSP协调ATC设施各处的飞行许可。如果在步骤760和750中发现差异，生成用于请求对轨迹的修改的一个消息。在步骤792中，如果存在差异(步骤760)或无法验证符合性(步骤790)，生成用于对FMS4DT做出校正的一个消息并发送给飞机。在步骤795中，飞机10应用变化并且构建一个新FMS4DT，并且飞机10下行传输FMS4DT。在动作798中，地面TP执行天气验证，并且地面TP根据FMS4DT构建同步轨迹。
[0076]图8是根据一个实施例的一个动态轨迹同步过程800的流程图。过程800监测在空中和地面两者上的偏差，并且根据需要发起数据交换以使轨迹重新对准。过程800以其中开始该过程的动作805开始。这个过程的开始可以是飞行的开始，当飞机正在跑道上等待起飞，或者当飞机进入FIR时(在NAS外部起飞的飞行)。一旦该过程开始，控制就被传递给动作810以便进行处理。在动作810中，该过程监视可能引起一个轨迹变化的扰动。如上所指出，扰动可以通过飞机监测(状态变化)或通过改变地面上的数据(上行链路命令)、或提示当前轨迹与上一已知良好轨迹或同步轨迹的比较的一个触发信号而被检测到。如果未检测到扰动，则该过程返回动作805处的起始处。如果检测到一个扰动，则控制被传递给动作815以便进行处理。在动作815中，加载活动轨迹，以便可以将其与同步轨迹进行比较。另外，在加载活动轨迹的同时，在动作820中，加载同步轨迹以与活动轨迹进行比较。在动作825处，比较这两个轨迹。在动作825中，如果该比较指示活动轨迹与同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作:用活动轨迹来更新同步轨迹(动作830);并且作为动作835的一部分，下行传输同步轨迹或向一个外部系统上行传输用于修改一个飞行计划的一个命令。否则，动作825可以使该过程返回起始处(动作805)，从而表明飞机(活动轨迹)已得到同步。
[0077]图9是根据一个实施例的用于进行下行链路处理以维持动态轨迹同步的流程图。
[0078]过程900在地面系统接收一个空中同步下行链路时开始。该过程在动作910处加载该下行链路轨迹，并且在动作915处加载预测轨迹。做出一个比较(动作930)，以便确定这些轨迹的差别(如果存在)。如果未发现差别，下行链路轨迹替代地面轨迹，并且过程返回到动作905并等待来自飞机的下一下行链路。如果发现差别，则地面系统调整地面计划(动作925)输入，从而得到一个已更新地面轨迹。对地面计划进行更新的动作继续，直至空中轨迹与地面轨迹之间的所有或大致所有差异都被解决。动作930确保在更新地面轨迹或空中轨迹前差异得到解决。解决大多数或所有这些差异的机制防止重新发送已发送的修正并且给予空中以更新其飞行计划的一个机会。任何地面发起的修正被上行传输到空中(动作940)，之后应用修正(动作935)，随后重新预测轨迹，并且或者通过经由空侧比较器触发或者通过一些其他手段来下行传输新轨迹。
[0079]本披露的范围内的多个实施例还可以包括用于携带或具有存储在其上的计算机可执行指令或数据结构的计算机可读介质。这类计算机可读介质可以是可由通用或专用计算机存取的任何可用介质。例如，但非限制，这类计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPR0M、⑶-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储装置，或可以用于以计算机可执行指令或数据结构的形式来携带或存储所需程序代码手段的任何其他介质。当信息是通过网络或另一通信连接(或者是硬连线的、无线的或者是其组合)传输或提供给一个计算机时，该计算机正确地将该连接视为一种计算机可读介质。因此，任何这种连接都被正确地称为一种计算机可读介质。上述项的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
[0080]计算机可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理装置执行某个功能或功能组的指令和数据。计算机可执行指令还包括由独立或网络环境中的计算机执行的程序模块。一般而言，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件以及数据结构等。计算机可执行指令、相关联数据结构以及程序模块代表用于执行在此所披露的方法中的步骤的程序代码手段的示例。这类可执行指令的特定序列或相关数据结构代表用于实现这类步骤中描述的功能的对应动作的示例。
[0081]应当理解，前面这些说明性实施例仅提供用于解释目的，并且在任何情况下都不应被解释为限制本发明。在此所用字词是描述性和说明性的字词，而非限制性的字词。另夕卜，在此描述的优点和目标可能并非在本发明的每个实施例中都得到实现。另外，尽管已在此参考特定结构、材料和/或实施例对本发明进行了描述，但本发明并非意在限制于在此所披露的这些细节。相反，本发明延伸至所附权利要求书的范围内的所有功能等效的结构、方法以及用途。从本说明书的教义中获益的本领域的技术人员可以对本说明书做出多种修改，并且可以在不背离本发明的范围和精神的情况下做出多种变化。
[0082]虽然以上描述可能包含多个特定细节，但是它们不应被理解为以任何方式限制权利要求书。本披露的所述实施例的其他配置也属于本披露的范围的一部分。例如，本披露的原理可以应用于每个单独用户，其中每个用户可以单独部署这种系统。这使每个用户能够利用本披露的益处，即使大量可能应用中的任何一个并不需要在此所述功能性。换言之，可以存在各自以各种可能方式来处理内容的部件的多个实例。并不一定需要所有最终用户使用一个系统。因此，本披露只应由所附权利要求书及其法律等效物，而不是由所给出的任何特定示例限定。
【权利要求】
1.一种维持轨迹同步的方法，该方法包括:将一个活动轨迹与一个同步轨迹进行比较，其中该比较由至少一个扰动、周期性触发、不同轨迹系统之间的通信事件或下行链路/上行链路事件触发； 如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作: 用该活动轨迹来更新该同步轨迹；并且 传输该同步轨迹或者向一个外部系统发送用于修改一个飞行计划的一个命令。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该扰动是一架飞机检测到的一个变化、来自一个外部源的变化数据或一个周期性触发中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中一架飞机检测到的该变化是大气条件变化、飞行员输入变化、航线输入变化或对一个预测轨迹的一个改变中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的方法，其中来自一个外部源的该变化数据是流量管理限制或命令、一个与其他飞机间隔的命令、对流天气的变化、一个特殊用途空域限制、一个调度要求、一个轨迹下行链路或一个命令上行链路中的至少一个。
5.根据权利要求3所述的方法，该方法进一步包括: 如果接收到一个下行传输的同步轨迹，则执行以下动作: 将该下行传输的同步轨迹与该飞机的一个地面预测轨迹进行比较； 如果该比较指示该同步轨迹与该地面预测轨迹之间存在一个差别，则发起一个同步过程; 否则用该下行传输的同步轨迹来更新一个本地同步轨迹。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该同步过程包括调用一个地面发起的对一个飞行计划的修正并向该飞机通信任何地面发起的对该飞行计划的修正。
7.根据权利要求5所述的方法，其中将该下行传输的同步轨迹与一个地面预测轨迹进行比较是匹配多个参数，这些参数包括地面路线、横向路线、高度限制、速度限制以及特殊用途空域或流量限制区域侵入禁止。
8.根据权利要求5所述的方法，其中地面路线或横向路线包括与一组机场、跑道以及终端程序名称有关的一个航途片段和出航片段或到达片段中的至少一个。
9.一种维持轨迹同步的系统，该系统包括: 一个计算机，该计算机执行一个接口以在一架飞机与一个地面系统之间交换数据，其中所交换的数据涉及与一架飞机的各飞行路径点或轨迹变化点相关的一系列点；以及一个处理器，该处理器连接到一个存储器上，其中该存储器包括使该处理器执行多个操作的多条程序指令，这些操作包括: 将一个活动轨迹与一个同步轨迹进行比较，其中该比较由至少一个扰动、周期性触发、不同轨迹系统之间的通信事件或下行链路/上行链路事件触发； 如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作: 用该活动轨迹更新该同步轨迹；并且 传输该同步轨迹或者向一个外部系统发送用于修改一个飞行计划的一个命令。
10.根据权利要求9所述的系统，其中该扰动是一架飞机检测到的一个变化、来自一个外部源的变化数据或一个周期性触发中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的系统，其中一架飞机检测到的该变化是大气条件变化、飞行员输入变化、航线输入变化或对一个预测轨迹的改变中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的方法，其中来自一个外部源的该变化数据是流量管理限制或命令、一个与其他飞机间隔的命令、对流天气的变化、一个特殊用途空域命令、一个调度要求、一个轨迹下行链路或一个命令上行链路中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的系统，该处理器进一步执行: 如果接收到一个下行传输的同步轨迹，则执行以下动作: 将该下行传输的同步轨迹与该飞机的一个地面预测轨迹进行比较； 如果该比较指示该同步轨迹与该地面预测轨迹之间存在一个差别，则发起一个同步过程; 否则用该下行传输的同步轨迹来更新一个本地同步轨迹。
14.根据权利要求13所述的系统，其中该同步过程包括调用一个地面发起的对该飞行计划的修正并向该飞机通信任何地面发起的对该飞行计划的修正。
15.根据权利要求13所述的系统，其中将该下行传输的同步轨迹与一个地面预测轨迹进行比较是匹配多个参数，这些参数包括地面路线、横向路线、高度限制、速度限制以及特殊用途空域或流量限制区域侵入禁止。
16.一种在飞机系统与地面系统之间维持轨迹同步的方法，该方法包括: 在接收到一个下行链路时，发起一个比较过程，在该比较过程中，该下行链路被与一个下行传输的同步轨迹以及该飞机的一个地面预测轨迹比较，并且如果该比较指示该同步轨迹与该地面预测轨迹之间存在一个差别，则发起一个同步过程，否则用该下行传输的同步轨迹来更新一个本地同步轨迹。
17.根据权利要求16所述的方法，其中该同步过程仅在解决该飞行计划与该下行传输的同步轨迹之间的大部分或所有差异后才对一个飞行计划执行地面发起的修正并向该飞机通信一个命令以修改其计划。
18.根据权利要求17所述的方法，其中将该下行传输的同步轨迹与一个地面预测轨迹进行比较是匹配多个参数，这些参数包括地面路线、横向路线、高度限制以及速度限制。
19.根据权利要求17所述的方法，其中地面路线或横向路线包括与一组机场、跑道以及终端程序名称有关的一个航途片段和出航片段或到达片段中的至少一个。
20.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括: 当从一个地面系统接收到一个扰动或一个通信时，将一个活动轨迹与一个同步轨迹进行比较，并且如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作:用该活动轨迹来更新该同步轨迹并下行传输该同步轨迹。
21.根据权利要求20所述的方法，其中该扰动是一架飞机检测到的一个变化、来自一个外部源的变化数据或一个周期性触发中的至少一个。
22.根据权利要求21所述的方法，其中一架飞机检测到的该变化是大气条件变化、飞行员输入变化、航线输入变化或其他状态测量结果中的至少一个。
23.根据权利要求22所述的方法，其中来自一个外部源的该变化数据是流量管理、一个与其他飞机间隔的命令、对流天气的变化、一个特殊用途空域限制、一个调度要求、一个轨迹下行链路或一个命令上行链路中的至少一个。
24.—种非瞬态机器可存取介质,该非瞬态机器可存取介质提供用于在一个飞机系统与一个地面系统之间维持轨迹同步的多个指令，当被访问时，这些指令使一个机器执行多个操作，该非瞬态机器可存取介质包括: 用于使至少一个飞机计算机执行以下动作的代码:当从一个地面系统接收到一个扰动或一个通信时，将一个活动轨迹与一个同步轨迹进行比较，并且如果该比较指示该活动轨迹与该同步轨迹之间存在一个差别，则执行以下动作:用该活动轨迹来更新该同步轨迹并下行传输该同步轨迹；以及 用于使至少一个地面计算机执行以下动作的代码:当接收到一个下行链路时，发起一个比较过程，在该比较过程中，该下行链路被与一个下行传输的同步轨迹以及该飞机的一个地面预测轨迹比较，并且如果该比较指示该同步轨迹与该地面预测轨迹之间存在一个差另IJ，则发起一个同步过程，否则用该下行传输的同步轨迹来更新一个本地同步轨迹； 其中该扰动是一架飞机检测到的一个变化、来自一个外部源的变化数据或一个周期性触发中的至少一个； 其中一架飞机检测到的该变化是大气条件变化、飞行员输入变化、航线输入变化或其他状态测量结果中的至少一个； 其中来自一个外部源的该变化数据是流量管理、一个与其他飞机间隔的命令、对流天气的变化、一个特殊用途空域指令、一个调度要求、一个轨迹下行链路或一个命令上行链路中的至少一个； 其中将该被下行传输的同步轨迹与一个地面预测轨迹进行比较是匹配多个参数，这些参数包括地面路线、横向路线、高度限制以及速度限制； 其中该同步过程仅在解决该飞行计划与该下行传输的同步轨迹之间的大部分或所有差异后才对一个飞行计划执行地面发起的修正并且向该飞机上行传输一个命令以修改其计划。
【文档编号】G05D1/00GK104246640SQ201280057997
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年10月1日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】大卫·S·K·陈, 塞尔吉奥·托里斯, 乔尔·克洛斯特 申请人:洛克希德马丁公司